CH659314A5

CH659314A5 - TRAINED ENERGY STORAGE AS A DIRECTLY OPERATING EVAPORATOR.

Info

Publication number: CH659314A5
Application number: CH626482A
Authority: CH
Inventors: Christian Dr Ehrsam; Jost Dr Haenny
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1982-10-27
Filing date: 1982-10-27
Publication date: 1987-01-15
Also published as: EP0107755A1

Description

Die Erfindung betrifft einen als direkt arbeitender Verdampfer ausgebildeten Energiespeicher in einer der Heizung und/oder Kühlung eines Gebäudes dienenden Absorptions-Wärmepumpenanlage, in welcher Wasser als Arbeitsmittel s durch Verdampfer, Absorber, Austreiber, Kondensator und Entspannungsorgan zirkuliert, und ein pumpbares hygroskopisches Absorptionsmittel mit Hilfe einer Pumpe den Absorber und den Austreiber durchsetzt, wobei einerseits die Absorptionswärme und andererseits die Kondensations-10 wärme für Heizzwecke genutzt wird bzw. im Fall der Kühlung als Abwärme abgeführt wird, und wobei ferner der Energiespeicher, in dem ein Teil des Wassers mindestens während Teilzeiten als Eis gespeichert ist, Teil eines zweiten Arbeitsmittelkreislaufs mit mindestens einer Niedrigtempe-15 ratur-Wärmequelle ist. The invention relates to an energy store designed as a direct-working evaporator in an absorption heat pump system serving to heat and / or cool a building, in which water circulates as working fluid through the evaporator, absorber, expeller, condenser and expansion device, and a pumpable hygroscopic absorbent with the aid a pump penetrates the absorber and the expeller, whereby on the one hand the heat of absorption and on the other hand the condensation heat is used for heating purposes or is dissipated as waste heat in the case of cooling, and furthermore the energy store in which part of the water at least during part-times is stored as ice, is part of a second working fluid circuit with at least one low-temperature heat source.

Aus der EP-Bl 0 010 551 ist eine Absorptions-Wärmepumpenanlage mit einem Energiespeicher der vorstehend genannten Art bekannt. Im normalen Heizbetrieb wird die für die Heizung benötigte Wärmeenergie bei dieser Anlage, 20 die dann bei einem Vakuum arbeitet, das dem Druck am Tri-pelpunkt des Wassers entspricht, im wesentlichen dem latenten Wärmeinhalt des in dem Speicher befindlichen Wassers entnommen, das dabei mindestens teilweise in Eis übergeht; im Kühlbetrieb erfolgt eine «Kälte»-Speicherung in 2s dieser Anlage ebenfalls dadurch, dass ein Teil des Wassers in dem Speicher in der Form von Eis vorliegt. An absorption heat pump system with an energy store of the aforementioned type is known from EP-Bl 0 010 551. In normal heating operation, the thermal energy required for heating in this system, 20 which then works at a vacuum which corresponds to the pressure at the triple point of the water, is essentially taken from the latent heat content of the water in the storage tank, which at least partially changes into ice; in cooling mode, a "cold" storage takes place in 2s of this system because part of the water in the storage is in the form of ice.

Bei beiden Betriebsarten haben sich Schwierigkeiten dadurch ergeben, dass sich an der Grenzfläche zwischen Dampf- und Flüssigkeitsraum in dem Energiespeicher eine 30 geschlossene kompakte Eisschicht bildet, durch die nach kurzer Zeit die Verdampfung des Wassers stark beeinträchtigt wird. Der Absorptionsprozess kommt daher sehr schnell zum Erliegen, auch wenn erst ein geringer Teil des in dem Speicher enthaltenen Wassers in Eis umgewandelt ist. 35 Aufgabe der Erfindung ist, diesen Nachteil des bekannten Energiespeichers zu beseitigen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als Arbeitsmittel im Energiespeicher eine wässrige Lösung dient, in der mindestens ein gelöster Stoff eine Gefrierpunkterniedrigung von mindestens 40 1 K bewirkt. In both modes of operation, difficulties have arisen in that a closed, compact layer of ice forms in the energy store at the interface between the vapor and liquid space, which after a short time severely affects the evaporation of the water. The absorption process therefore comes to a standstill very quickly, even if only a small part of the water contained in the reservoir has been converted into ice. 35 The object of the invention is to eliminate this disadvantage of the known energy storage. According to the invention, this object is achieved in that an aqueous solution in which at least one solute brings about a lowering of the freezing point by at least 40 1 K serves as the working medium in the energy store.

Als gefrierpunkterniedrigende Substanzen für die Bildung der wässrigen Lösung haben sich anorganische Salze als geeignet erwiesen. Für Kochsalz beispielsweise wird eine Konzentration von mindestens 17g/l benötigt. Inorganic salts have proven to be suitable as freezing point-lowering substances for the formation of the aqueous solution. For salt, for example, a concentration of at least 17 g / l is required.

45 Mit Vorteil lassen sich jedoch auch die gleichen Stoffe für die Gefrierpunkterniedrigung verwenden, die - wie z. B. eine wässrige Mischung aus Natron- und Kalilauge (NaOH + KOH) im Verhältnis von 1:3 bis 3:1— als Absorptionsmittel in der Wärmepumpenanlage dienen, wobei die Konzentra-50 tion der wässrigen Lösung in dem Energiespeicher jedoch so gewählt wird, dass der Gefrierpunkt dieser Lösung vorzugsweise zwischen -1°C und -2°C liegt; so kann beispielsweise bei einer Absorberflüssigkeit, die zu je 50% aus Natron- und aus Kalilauge besteht, als wässrige Lösung eine Verdünnung ss dieses Absorptionsmittels dienen, in der mindestens je etwa 8g/l NaOH und KOH vorhanden sind. Selbstverständlich ändern sich die Konzentrationen der beiden Alkalilaugen in der wässrigen Lösung, wenn in der Absorberflüssigkeit, d. h. dem Absorptionsmittel, der Wärmepumpenanlage ein 60 anderes Mischungsverhältnis gewählt wird. 45 However, it is also advantageous to use the same substances for lowering the freezing point that - such as. B. an aqueous mixture of caustic soda and potassium hydroxide solution (NaOH + KOH) in a ratio of 1: 3 to 3: 1 serve as an absorbent in the heat pump system, the concentration of the aqueous solution in the energy store being selected, however, that the freezing point of this solution is preferably between -1 ° C and -2 ° C; For example, in the case of an absorber liquid consisting of 50% sodium hydroxide and potassium hydroxide, a dilution ss of this absorbent can be used as the aqueous solution, in which at least about 8 g / l NaOH and KOH are present. Of course, the concentrations of the two alkali lyes in the aqueous solution change when in the absorber liquid, i.e. H. a different mixing ratio is selected for the absorption medium and the heat pump system.

Bei gleichem Stoff bzw. Stoffen in Absorptionsflüssigkeit und wässriger Lösung ist es zweckmässig, wenn eine absperrbare Verbindungsleitung vom Absorber in den Flüssigkeitsraum des Energiespeichers führt, um falls notwendig, die 65 Konzentration der wässrigen Lösung durch Einspeisen von konzentrierter Absorberflüssigkeit zu steigern. With the same substance or substances in absorption liquid and aqueous solution, it is expedient if a lockable connecting line leads from the absorber into the liquid space of the energy store in order, if necessary, to increase the concentration of the aqueous solution by feeding concentrated absorber liquid.

Da in dem Energiespeicher bzw. Verdampfer aus der wässrigen Lösung heraus praktisch reines Wasser verdampft, Since practically pure water evaporates from the aqueous solution in the energy store or evaporator,

3 3rd

659 314 659 314

arbeitet die Wärmepumpenanlage nach wie vor mit Wasser als Arbeitsmittel. the heat pump system still works with water as the working fluid.

Der beim Tripel'punkt der wässrigen Lösung herrschende Dampfdruck ist allerdings wegen der tieferen Temperaturen und wegen der Dampfdruckerniedrigung bei einer Lösung etwas verringert. Während der Druck beim Tripelpunkt des reinen Wassers 6.1 mbar beträgt, weist eine Kochsalzlösung mit 20 g/1 Salz einen Druck von etwa 5.6 mbar auf. Abgesehen von dieser Verringerung des Dampfdruckes bleiben die in der erwähnten EP-Bl 0 010 551 genannten Vorteile erhalten, ohne dass die geschilderten Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei einer Eiserzeugung aus einer wässrigen Lösung mit erniedrigtem Gefrierpunkt nicht eine kompakte Eisschicht, sondern kleine Eiskristalle entstehen. Die Eiskristalle, deren Durchmesser kleiner als ungefähr 0.5 mm sind, weisen eine Plättchenform auf. Die grösseren Kristalle wachsen zu kugelförmigen Körnern an, deren Durchmesser von der Grössen-ordnung von 1 mm sind. Aufgrund ihres gegenüber der Lösung geringeren spezifischen Gewichts schwimmen die Eiskristalle in der Lösung nach oben auf, wobei sich ein verdickter Eisbrei bildet, der jedoch zu keiner kompakten Masse zusammenbackt. Der Eisbrei ist fliessfähig und kann daher direkt in den zweiten - eine Niedrigtemperatur-Wärmequelle oder einen Kälteverbraucher enthaltenden - Arbeitsmittelkreislauf eingespeist werden. The vapor pressure prevailing at the triple point of the aqueous solution is somewhat reduced, however, because of the lower temperatures and because of the lower vapor pressure in a solution. While the pressure at the triple point of pure water is 6.1 mbar, a saline solution with 20 g / 1 salt has a pressure of about 5.6 mbar. Apart from this reduction in the vapor pressure, the advantages mentioned in the mentioned EP-Bl 0 010 551 are retained without the disadvantages described having to be accepted. It has been shown that when ice is produced from an aqueous solution with a lower freezing point, it is not a compact layer of ice that is formed, but small ice crystals. The ice crystals, whose diameters are smaller than approximately 0.5 mm, have a platelet shape. The larger crystals grow into spherical grains, the diameter of which is of the order of 1 mm. Due to their lower specific weight compared to the solution, the ice crystals float upwards in the solution, forming a thickened ice pulp that does not cake to a compact mass. The ice pulp is flowable and can therefore be fed directly into the second working medium circuit, which contains a low-temperature heat source or a cold consumer.

Werden im Absorber und im Energiespeicher unterschiedliche Stoffe als Absorptionsmittel bzw. als Inhaltsstoffe der wässrigen Lösung benutzt, so ist es zweckmässig, Mittel vorzusehen, durch die ein Übertritt von wässriger Lösung aus dem Verdampferbereich des Energiespeichers in den Absorber verhindert wird. If different substances are used in the absorber and in the energy store as absorbents or as constituents of the aqueous solution, it is expedient to provide means by which the transfer of aqueous solution from the evaporator area of the energy store into the absorber is prevented.

Die Menge des im Verdampferbereich verdampfenden Wassers lässt sich vergrössern, wenn aus dem Bereich für die wässrige Lösung in den Dampfbereich des Energiespeichers eine mit einer Pumpe versehene Leitung führt, die in einer Anzahl Sprühdüsen endet; es ist jedoch auch möglich, das durch diese Leitung geförderte Arbeitsmittel über Rieselkörper zu verteilen. Durch beide Massnahmen wird die freie Oberfläche des Arbeitsmittels, durch die das Wasser hindurch verdampfen muss, vergrössert. The amount of water evaporating in the evaporator area can be increased if a line provided with a pump leads from the area for the aqueous solution into the steam area of the energy store and ends in a number of spray nozzles; however, it is also possible to distribute the work equipment supported by this line over trickle bodies. Both measures increase the free surface of the work equipment through which the water must evaporate.

Konstruktiv lässt sich der Energiespeicher mit Vorteil so ausbilden, dass sein mit wässriger Lösung gefüllte Bereich in zwei Abteile unterteilt ist, wobei in einem Kristallisationsabteil die Verdampfung und Eiserzeugung stattfindet, während im anderen Abteil der gebildete Eisbrei gespeichert wird ; zusätzlich kann dabei das Speicherabteil um einen Höhenunterschied A H unterhalb des Eiserzeugungsabteils ■ angeordnet sein. Wählt man als Höhenunterschied A H etwa 10 m, so lässt sich der vom Vakuum im Kristallisationsabteil herrührende Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck für das Speicherabteil mindestens annähernd ausgleichen. In terms of construction, the energy store can advantageously be designed such that its area filled with aqueous solution is divided into two compartments, with evaporation and ice production taking place in one crystallization compartment, while the ice pulp formed is stored in the other compartment; In addition, the storage compartment can be arranged a height difference A H below the ice-making compartment. If the height difference A H is chosen to be approximately 10 m, the vacuum resulting from the vacuum in the crystallization compartment can be at least approximately equalized compared to the ambient pressure for the storage compartment.

Um einen Rückfluss des aus der Wärmepumpenanlage kommenden Kondensats in den Verdampf erbereich bei Stillstand der Anlage und Temperaturen unter 0° C im Energiespeicher nicht zu behindern, ist es vorteilhaft, wenn für die Einspeisung des Kondensats in den Energiespeicher ein sich selbst entleerender Stutzen vorhanden ist. Werden Mittel vorgesehen, durch die die im Kristallisations- oder Verdampferabteil befindliche wässrige Lösung bewegt wird, so entstehen aus den vorhandenen Eiskristallen fortwährend neue Kristallisationskeime durch Kornbruch und Abrieb. Derartige Mittel sind beispielsweise Treibstrahlen, die durch geeignete Formgebung der zwischen dem Flüssigkeits- und dem Dampfbereich vorhandenen düsenbestückte Leitung erzeugt werden und die wässrige Lösung im Verdampferabteil in Bewegung versetzen. Weiterhin kann man Mittel vorsehen, durch die die Strömung im Verdampfer- oder Eiserzeugungsabteil so geführt wird, dass dem Speicherabteil vorzugsweise relativ grosse Eiskristalle zugeführt werden. In order not to prevent a backflow of the condensate coming from the heat pump system into the evaporator area when the system is at a standstill and temperatures below 0 ° C in the energy store, it is advantageous if a self-emptying nozzle is available for feeding the condensate into the energy store. If means are provided by which the aqueous solution located in the crystallization or evaporator compartment is moved, new crystallization nuclei continuously arise from the existing ice crystals due to grain breakage and abrasion. Such means are, for example, propellant jets which are generated by suitable shaping of the nozzle-equipped line between the liquid and the vapor area and which set the aqueous solution in motion in the evaporator compartment. Furthermore, means can be provided through which the flow in the evaporator or ice-making compartment is guided in such a way that relatively large ice crystals are preferably fed to the storage compartment.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawing.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Absorptions-Wärmepumpenanlage mit einem Eisspeicher nach der Erfindung, wobei bei der vereinfachten Darstellung an sich bekannte Details der Anlage - beispielsweise die Vakuumpumpen - weggelassen worden sind ; 1 shows a schematic representation of an absorption heat pump system with an ice store according to the invention, details of the system known per se, for example the vacuum pumps, having been omitted in the simplified representation;

Fig. 2 stellt eine zweite Ausführungsform des Energiespeichers mit seinen Anschlüssen für den Einbau in einer Anlage nach Fig. 1 dar; FIG. 2 shows a second embodiment of the energy store with its connections for installation in a system according to FIG. 1;

Fig. 3 schliesslich ist ein schematisches Beispiel für einen Energiespeicher, bei dem Verdampfer- und Speicherabteil in getrennten Behältern untergebracht sind. 3 is a schematic example of an energy store in which the evaporator and storage compartments are accommodated in separate containers.

Ausgehend vom Dampf räum 12 eines als direkter Verdampfer ausgebildeten Energiespeichers 1 (Fig. 1), in dessen Flüssigkeitsbereich oder Speicherraum 13 als Arbeitsmittel eine wässrige, Eiskristalle 79 enthaltende Lösung 71 gespeichert ist, verbindet eine Dampfleitung 10 den Verdampferbereich 12 mit einem Absorber 2. In dessen Dampfraum wird der Wasserdampf 11 durch ein Absorptionsmittel unter Wärmeentwicklung absorbiert und als mit Wasser angereicherte Absorberflüssigkeit 21 am Boden des Absorbers 2 gesammelt. Die dabei entwickelte Wärme wird mit Hilfe eines in einer Rohrschlange 63 zirkulierenden Kühlmittels 61 - im vorliegenden Fall beispielsweise als Wärmeträger einer Warmwasserheizung 6 dienendes Wasser - abgeführt. Starting from the steam room 12 of an energy store 1 designed as a direct evaporator (FIG. 1), in the liquid area or storage room 13 of which an aqueous solution 71 containing ice crystals 79 is stored as working medium, a steam line 10 connects the evaporator area 12 to an absorber 2. In whose vapor space, the water vapor 11 is absorbed by an absorbent with the development of heat and collected at the bottom of the absorber 2 as an absorber liquid 21 enriched with water. The heat thus developed is dissipated with the aid of a coolant 61 circulating in a coil 63 - in the present case, for example, water serving as the heat carrier of a hot water heater 6.

Als wässrige Lösung 71 im Energiespeicher 1, der von wärmeisolierendem Material 16 umschlossen ist, dient beispielsweise eine Kochsalzlösung, in der 20 g/1 Kochsalz enthalten sind. Als Absorberflüssigkeit oder Absorptionsmittel 21 wird in dem gezeigten Beispiel eine Mischung aus 50% Natronlauge und 50% Kalilauge verwendet. Da die gelösten Stoffe in der wässrigen Lösung 71 und in der Absorberflüssigkeit 21 verschieden sind, ist in der Dampfleitung 10 ein Tropfenabscheider 14 vorgesehen, der einen Übertritt von Flüssigkeitströpfchen aus der wässrigen Lösung 71 in die Absorberflüssigkeit 21 verhindert. A saline solution containing 20 g / l of saline, for example, serves as the aqueous solution 71 in the energy store 1, which is surrounded by heat-insulating material 16. In the example shown, a mixture of 50% sodium hydroxide solution and 50% potassium hydroxide solution is used as the absorber liquid or absorbent 21. Since the dissolved substances in the aqueous solution 71 and in the absorber liquid 21 are different, a droplet separator 14 is provided in the steam line 10, which prevents liquid droplets from passing from the aqueous solution 71 into the absorber liquid 21.

Verwendet man für eine wässrige Lösung 71 und die Absorberflüssigkeit 21 die gleichen gelösten Substanzen, so kann eine Verbindungsleitung 27 mit einem Absperrorgan 28 vorgesehen sein, durch die hindurch konzentrierte Absorberflüssigkeit 21 der wässrigen Lösung 71 zugeleitet werden kann, falls in dieser eine Konzentrationserhöhung erforderlich ist. If the same dissolved substances are used for an aqueous solution 71 and the absorber liquid 21, a connecting line 27 with a shut-off device 28 can be provided, through which concentrated absorber liquid 21 can be fed to the aqueous solution 71 if an increase in concentration is required therein.

Für den Transport der mit Wasser angereicherten Absorberflüssigkeit 21 führt eine Leitung 20, in der eine Umwälzpumpe 22 vorgesehen ist, über einen Wärmeaustauscher 23 vom Absorber 2 in einen Austreiber 3. Dieser wird mit Hilfe eines Wärmetauschers 53 beheizt, der über eine Leitung 50 mit einer Wärmequelle 5 verbunden ist, in der beispielsweise Abwärme höherer Temperatur zur Verfügung steht. Selbstverständlich kann die Wärmequelle 5 auch aus einem Brenner für fossile Brennstoffe oder aus Sonnenkollektoren bestehen, durch die ein Wärmeträgermedium 51, z. B. Wasser, geheizt wird, das mit Hilfe einer Pumpe 52 durch den Wärmetauscher 53 und die Leitung 50 zirkuliert. For the transport of the water-enriched absorber liquid 21, a line 20, in which a circulation pump 22 is provided, leads via a heat exchanger 23 from the absorber 2 to an expeller 3. This is heated with the aid of a heat exchanger 53, which is connected via a line 50 to a Heat source 5 is connected, in which, for example, waste heat of a higher temperature is available. Of course, the heat source 5 can also consist of a burner for fossil fuels or solar panels through which a heat transfer medium 51, for. B. water is heated, which circulates with the aid of a pump 52 through the heat exchanger 53 and the line 50.

Durch Aufheizung im Austreiber 3 wird Wasserdampf 31 aus dem Absorptionsmittel 21 ausgetrieben und durch eine Dampfleitung 30 in einem Kondensator 4 geführt. Das bei der Trennung aufkonzentrierte Absorptionsmittel 21 gelangt aus dem Austreiber 3 über eine Leitung 29 und den Wärmetauscher 23, wo es im Gegenstrom zu einer wasserreichen in der Leitung 20 fliessenden Lösung Wärme abgibt, zurück in By heating in the expeller 3, water vapor 31 is expelled from the absorbent 21 and passed through a steam line 30 in a condenser 4. The absorbent 21 concentrated during the separation comes back from the expeller 3 via a line 29 and the heat exchanger 23, where it emits heat in countercurrent to a water-rich solution flowing in line 20

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

659314 659314

den Absorber 2. Dort rieselt es, aus Verteildüsen 24 austretend, über den Wärmetauscher 63 Wasser aufnehmend und Wärme abgebend herab und sammelt sich am Boden des Absorbers 2, womit der Kreislauf des Absorptionsmittels geschlossen ist. the absorber 2. There it trickles out of the distribution nozzles 24, absorbs water via the heat exchanger 63 and emits heat and collects at the bottom of the absorber 2, thus closing the circuit of the absorbent.

Das Flüssigkeitsniveau des Kondensats im Absorber 2 kann durch Beeinflussung eines nicht gezeigten Drosselorgans in der Leitung 29 von einem Niveauregler, beispielsweise einem Schwimmer, mindestens annähernd auf konstanten Niveau gehalten werden. The liquid level of the condensate in the absorber 2 can be kept at least approximately at a constant level by influencing a throttle element (not shown) in the line 29 by a level controller, for example a float.

Zwischen den Leitungen 20 und 29 ist eine Kurzschlussleitung 25 für den Absorber 2 vorgesehen, in der ein einstellbares Drosselorgan 26 vorhanden ist. Die Kurzschlussleitung 25 dient zur Einstellung des optimalen Durchsatzes der Absorberflüssigkeit 21 durch den Absorber 2. A short-circuit line 25 for the absorber 2 is provided between the lines 20 and 29, in which an adjustable throttle element 26 is provided. The short-circuit line 25 serves to set the optimal throughput of the absorber liquid 21 through the absorber 2.

Der Kondensator 4, in dem der im Austreiber 3 ausgetriebene Wasserdampf 31 kondensiert wird, enthält einen Wärmetauscher 64. Dieser ist in Strömungsrichtung des in ihm zirkulierenden Kühlmittels 61, das z.B., wie erwähnt, Rück-laufwasser einer Warmwasserheizungsanlage 6 ist, dem Wärmeübertrager 63 nachgeschaltet und über eine Leitung 60 mit der Heizungsanlage 6 verbunden. Die Zirkulation des Kühlmittels 61 wird aufrechterhalten durch eine Umwälzpumpe 62, die in der von der Heizungsanlage 6 zum Wärmetauscher 63 führenden Leitung 65 vorgesehen ist. The condenser 4, in which the steam 31 expelled in the expeller 3 is condensed, contains a heat exchanger 64. This is connected downstream of the heat exchanger 63 in the direction of flow of the coolant 61 circulating in it, which, for example, as mentioned, is the return water of a hot water heating system 6 and connected to the heating system 6 via a line 60. The circulation of the coolant 61 is maintained by a circulation pump 62 which is provided in the line 65 leading from the heating system 6 to the heat exchanger 63.

Der kondensierte Wasserdampf sammelt sich als Kondensat 41 am Boden des Kondensators 4; an diesen schliesst eine Leitung 40 an, die über ein Entspannungsorgan 42 zu einem sich selbst entleerenden Kondensatstutzen 15 am Energiespeicher 1 führt, womit der Arbeitsmittelkreislauf der Wärmepumpenanlage geschlossen ist. Wie schon erwähnt, soll durch den sich selbst entleerenden Stutzen 15 verhindert werden, dass bei Stillstand der Anlage im kalten Zustand die Kondensatleitung 40 durch zu Eis erstarrendes stehendes Wasser verschlossen wird. The condensed water vapor collects as condensate 41 at the bottom of the condenser 4; connected to this is a line 40, which leads via a relaxation element 42 to a self-draining condensate connector 15 on the energy store 1, whereby the working medium circuit of the heat pump system is closed. As already mentioned, the self-emptying nozzle 15 is intended to prevent the condensate line 40 from being closed by standing water which solidifies into ice when the system is at a standstill in the cold state.

Zur Aufrechterhaltung des Vakuums von etwa 5 mbar, beispielsweise bei Gaseinbrüchen, dienen nicht dargestellte Vakuumpumpen, die beispielsweise am Kondensator 4 und am Absorber 2 vorgesehen sein können. Vacuum pumps (not shown), which can be provided, for example, on the condenser 4 and the absorber 2, are used to maintain the vacuum of approximately 5 mbar, for example in the event of gas ingress.

Um die Verdampfung durch Vergrösserung der Phasengrenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampfphase im Energiespeicher 1 zu verbessern, ist der Speicher 1 mit einem internen Kreislauf ausgerüstet; eine Pumpe 72 fördert in diesem Kreislauf durch eine Leitung 70 wässrige Lösung 71 aus dem Flüssigkeitsbereich oder Speicherraum 13 in den Verdampferbereich oder Dampfraum 12, wobei die Leitung 70 in Sprühdüsen 73 endet. Die in dem Dampfraum 12 durch die Düsen 73 versprühten Tröpfchen 76 verdampfen teilweise und gehen dadurch in einen unterkühlten Zustand über. Bei ihrem Wiedereintritt in die wässrige Verdampferlösung 71 lassen die unterkühlten Tröpfchen 76 Wasser aus der Lösung 71 in Form von kleinen Kristallen 78 ausfrieren; diese Eiskristalle 78 schwimmen aufgrund ihres gegenüber der Lösung 71 geringeren spezifischen Gewichts auf und bilden so zusammen mit der Lösung 71 einen wässrigen Eisbrei 79. In order to improve evaporation by increasing the phase interface between liquid and vapor phase in energy store 1, store 1 is equipped with an internal circuit; In this circuit, a pump 72 conveys aqueous solution 71 from the liquid area or storage space 13 into the evaporator area or steam space 12 through a line 70, the line 70 ending in spray nozzles 73. The droplets 76 sprayed in the steam chamber 12 through the nozzles 73 partially evaporate and thereby change into a supercooled state. When they re-enter the aqueous evaporator solution 71, the supercooled droplets 76 freeze water from the solution 71 in the form of small crystals 78; these ice crystals 78 float due to their lower specific weight compared to solution 71 and thus form an aqueous ice pulp 79 together with solution 71.

Die Leitung 70 des internen Kreislaufs geht vorzugsweise vom Bodenbereich des Speicherraums 13 aus, da in diesem nur wenige Eiskristalle 78 in der Lösung 71 herumschwimmen; falls erforderlich, kann das Ansaugende der Leitung 70 darüberhinaus mit einem feste Partikel zurückhaltenden, nicht gezeigten Sieb versehen sein. The line 70 of the internal circuit preferably starts from the bottom area of the storage space 13, since only a few ice crystals 78 float around in the solution 71; if necessary, the suction end of line 70 may also be provided with a solid particle-retaining screen, not shown.

Der zweite mindestens eine Niedrigtemperatur-Wärmequelle oder einen Kälteverbraucher enthaltende Arbeitsmittelkreislauf durch den Energiespeicher 1 weist eine Leitung 80 auf, die aus der Leitung 70 saugseitig der Pumpe 72 abzweigt und über eine eigene Förderpumpe 82 zu der nicht gezeigten Niedrigtemperatur-Wärmequelle führt. Von dieser geht eine Leitung 85 aus, die zu dem Energiespeicher 1 zurückführt und in den Stutzen 15 einmündet, wodurch der zweite Arbeitsmittelkreislauf geschlossen wird. Durch den Kreislauf 80,85 kann beispielsweise kalte, wässrige Lösung zirkulieren ; diese Lösung 71, deren Temperatur erfindungs-gemäss <0°C ist und vorzugsweise -1°C bis -2°C beträgt, The second working medium circuit through the energy store 1 containing at least one low-temperature heat source or a cold consumer has a line 80 which branches off from the line 70 on the suction side of the pump 72 and leads via a separate feed pump 82 to the low-temperature heat source, not shown. A line 85 leads from the latter, which leads back to the energy store 1 and opens into the connector 15, as a result of which the second working medium circuit is closed. For example, cold, aqueous solution can circulate through the circuit 80, 85; this solution 71, the temperature of which, according to the invention, is <0 ° C and is preferably -1 ° C to -2 ° C,

wird in der Niedrigtemperatur-Wärmequelle bzw. Kälteverbraucher aufgewärmt, ehe sie in den Speicher 1 zurückfliesst. is warmed up in the low-temperature heat source or cold consumer before it flows back into the store 1.

Statt das man nur Flüssigkeit 71, die im Energiespeicher 13 abgekühlt wird, der Niedrigtemperatur-Wärmequelle bzw. dem Kälteverbraucher zugeführt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, lässt sich wie schon erwähnt der Kältetransport auch mittels des Eisbreis durchführen. Auf diese Weise gewinnt man den Vorteil, dass durch Ausnutzen der latenten Schmelzwärme bei gleichen Strömen pro Zeiteinheit ein grösserer Wärmetransport als mit fühlbarer Wärme erreicht wird, und dass zum anderen die Temperatur des Kühlmittels praktisch konstant bleibt, solange Eis im Kühlmittel vorhanden ist. Instead of only supplying liquid 71, which is cooled in the energy store 13, to the low-temperature heat source or the cold consumer, as shown in FIG. 1, the cold transport can also be carried out by means of the ice slurry, as already mentioned. In this way, the advantage is gained that by utilizing the latent heat of fusion at the same currents per unit of time, greater heat transport is achieved than with sensible heat, and that the temperature of the coolant remains practically constant as long as there is ice in the coolant.

Weitere Details der Wärmepumpenanlage nach Fig. 1 -beispielsweise bezüglich des konstruktiven Aufbaus des Kondensators 4 oder des Absorbers 2 sowie hinsichtlich der Steuerung und Regelung der einzelnen Anlagenteile sowie der Gesamtanlage - entsprechen denjenigen der Anlage nach der erwähnten EPS 0 010 551. Further details of the heat pump system according to FIG. 1 - for example with regard to the structural design of the condenser 4 or the absorber 2 and with regard to the control and regulation of the individual system parts and the overall system - correspond to those of the system according to the aforementioned EPS 0 010 551.

Im Energiespeicher 100 (Fig. 2) ist der die wässrige Lösung aufnehmende Flüssigkeitsraum oder -bereich in zwei durch eineTrennwand 17 getrennte Abteile 13a und 13b unterteilt. Das obere, eine Flüssigkeitsoberfläche zum Dampf räum 12 aufweisende Kristallisationsabteil 13a dient der Verdampfung und der Eiserzeugung, während das untere, das eigentliche Speicherabteil 13b ist, in dem der Eisbrei 79 gespeichert wird. Beide Abteilungen 13a und 13b sind über ein in den Bodenbereich des Speicherabteils 13b führendes Rohr 18 miteinander verbunden, in dem frisch erzeugter Eisbrei in das Speicherabteil 13b gefördert wird. In the energy store 100 (Fig. 2), the liquid space or area receiving the aqueous solution is divided into two compartments 13a and 13b separated by a partition 17. The upper, a liquid surface to the vapor space 12 having crystallization compartment 13a is used for evaporation and ice production, while the lower, the actual storage compartment 13b, in which the ice pulp 79 is stored. Both compartments 13a and 13b are connected to one another via a pipe 18 leading into the bottom region of the storage compartment 13b, in which freshly produced ice cream is conveyed into the storage compartment 13b.

Nahe der Trennwand 17 ist um das Rohr 18 herum eine als flacher Trichter ausgebildete Schale 19 angeordnet, aus der heraus die Pumpe 72 wässrige Lösung 71 durch die Leitung 70 ansaugt. Mit der weiten trichterartigen Öffnung der Schale 77 wird erreicht, dass am oberen Rand des Trichters in Richtung auf die Leitung 70 sehr niedrige Strömungsgeschwindigkeiten vorhanden sind. Es werden daher aus dem relativ dichten Eisbrei 79 im oberen Bereich des Speicherabteils 13b keine oder nur wenige Eiskristalle 78 in die Leitung 70 mitgerissen; selbstverständlich kann unter Umständen die Leitung 70 an ihrem saugseitigen Ende ebenfalls mit einem Sieb versehen werden. Arranged near the partition 17 around the tube 18 is a bowl 19 designed as a flat funnel, from which the pump 72 draws in aqueous solution 71 through the line 70. With the wide funnel-like opening of the shell 77 it is achieved that very low flow velocities are present at the upper edge of the funnel in the direction of the line 70. Therefore, no or only a few ice crystals 78 are entrained into the line 70 from the relatively dense ice pulp 79 in the upper region of the storage compartment 13b; Of course, the line 70 can also be provided with a strainer at its suction end.

Druckseitig der Pumpe 72 endet die Leitung 70 in einem mit Sprühdüsen 73 (von denen nur eine gezeigt ist) bestückten, gekrümmten Rohrstück, das durch eine Düse 74 abgeschlossen ist. Aus dieser Düse 74 tritt die wässrige Lösung 71 als relativ scharfer Treibstrahl 75 aus, der das Eis/ Flüssigkeitsgemisch in dem Eiserzeugungsabteil 13a in Rotation versetzt. Der Treibstrahl trifft flach auf die Flüssigkeitsoberfläche auf, und er ist gegen die Wand hin gerichtet, so dass ein Teil der oben aufschwimmenden Eiskristalle 78 gegen die Wand zu getrieben werden. In der Wandzone 77, in der grosse Geschwindigkeitsgradienten auftreten, werden durch gegenseitiges Reiben der Kristalle und Reiben an der Wand dauernd neue Kristallisationskeime durch Kornbruch und Abrieb gebildet. Der überwiegende Teil der Eiskristalle 78 bewegt sich zur zentral angeordneten Abflussleitung 18 zu. Je weiter sich die Kristalle von ihrem Entstehungsort in der Wandzone 77 entfernt haben, desto grösser sind sie durch Eisansatz angewachsen. Daher treten in den Eisspeicher 13b bevorzugt grössere Kristalle ein. On the pressure side of the pump 72, the line 70 ends in a curved pipe section equipped with spray nozzles 73 (only one of which is shown), which is closed off by a nozzle 74. From this nozzle 74, the aqueous solution 71 emerges as a relatively sharp jet 75 which rotates the ice / liquid mixture in the ice making compartment 13a. The propulsive jet strikes the surface of the liquid flatly and is directed towards the wall, so that part of the ice crystals 78 floating on top are driven against the wall. In the wall zone 77, in which large speed gradients occur, new crystallization nuclei are continuously formed by grain breakage and abrasion by mutual rubbing of the crystals and rubbing on the wall. The predominant part of the ice crystals 78 moves to the centrally arranged drain line 18. The further the crystals have moved from their place of origin in wall zone 77, the larger they have grown due to ice build-up. Therefore, larger crystals preferably enter the ice store 13b.

Wird die aus der Leitung 85 dem Energiespeicher 100 zufliessende wässrige Lösung 71, die in der Niedrigtempe4 If the aqueous solution 71 flowing from the line 85 to the energy store 100, which is in the low temperature 4

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

659 314 659 314

ratur-Wärmequelle oder dem Kälteverbraucher erwärmt worden ist, nicht direkt über die Leitung 70 zur Verdampfung und Eiserzeugung gebracht, so wird sie über das saugsei-tige Ende der Leitung 70 in den Eisspeicher 13b zurückgeführt. Sie gelangt dabei über den Trichter 19 in die obersten Schichten des Eisbreis 79, in denen die ältesten Eiskristalle 78 vorhanden sind, die so durch diese warme Lösung 71 als erste geschmolzen werden. In diesen obersten Schichten liegen die Eiskristalle 78 in relativ kompakter Form vor, da sie durch ihren Auftrieb und die im Speicherraum 13b nach oben strömende wässrige Lösung 71, die dann durch den Trichter 77 abgezogen wird, verdichtet werden. rature heat source or the cold consumer has not been brought directly to the evaporation and ice production via the line 70, it is returned via the suction-side end of the line 70 into the ice store 13b. It passes through the funnel 19 into the uppermost layers of the ice pulp 79, in which the oldest ice crystals 78 are present, which are the first to be melted by this warm solution 71. The ice crystals 78 are present in these uppermost layers in a relatively compact form, since they are compressed by their buoyancy and the aqueous solution 71 flowing upwards in the storage space 13b, which is then drawn off by the funnel 77.

Die Rückführung der warmen Lösung 71 in das Speicherabteil 13b - und nicht in das Kristallisationsabteil 13a -gewährleistet darüberhinaus, dass die Eiskristalle in dem Eiserzeugungsabteil 13a durch die warme Lösung 71 nicht geschmolzen werden, so dass auch nach einem Betriebsunterbruch in der Eiserzeugung, wenn er nicht zu lange dauert, in der wässrigen Lösung 71 im Eiserzeugungsabteil 13a Eiskristalle als Kristallisationskeime für die erneute Eisbildung vorhanden sind. The return of the warm solution 71 to the storage compartment 13b - and not to the crystallization compartment 13a - further ensures that the ice crystals in the ice-making compartment 13a are not melted by the warm solution 71, so that even after an interruption in the ice-making if it is not takes too long, in the aqueous solution 71 in the ice making compartment 13a ice crystals are present as crystallization nuclei for the renewed ice formation.

In der Trennung von Kristallisations- und Speicherabteil kann man auch noch einen Schritt weiter gehen und beide Abteile 13a und 13b in getrennten Behältern anordnen. Eine solche Ausführung eines Energiespeichers ist in Fig. 3 skizziert. Selbstverständlich können die genannten Behälter 13a und 13b, wie auch die sie verbindenden Leitungen 18 und 70 - falls erforderlich - gegen die Umgebung wärmeisoliert aus-5 gebildet sein, was nicht ausdrücklich dargestellt ist. Die Anschlüsse der verschiedenen Kreisläufe an den zweiteiligen Energiespeicher entsprechen in ihrer prinzipiellen Anordnung denjenigen der Fig. 2. In the separation of the crystallization and storage compartments, one can go one step further and arrange both compartments 13a and 13b in separate containers. Such an embodiment of an energy store is outlined in FIG. 3. Of course, the said containers 13a and 13b, as well as the lines 18 and 70 connecting them - if necessary - can be thermally insulated from the environment, which is not expressly shown. The basic arrangement of the connections of the various circuits to the two-part energy store corresponds to those of FIG. 2.

Zweckmässigerweise werden das Kristallisationsabteil 13a und das Speicherabteil 13b auf verschiedenen Niveauhöhen angeordnet, so dass zwischen ihnen ein Höhenunterschied AH vorhanden ist. Entspricht dieser Höhenunterschied einer Wassersäule von etwa 10 m, so kann dadurch der Unterdruck, der im Kristallisationsabteil 13a herrscht, für das Speicherabteil 13b kompensiert werden, so dass z.B. der Kreislauf 80, 85 auf dem Niveau des Umgebungsdruckes arbeitet. The crystallization compartment 13a and the storage compartment 13b are expediently arranged at different height levels, so that there is a height difference AH between them. If this difference in height corresponds to a water column of approximately 10 m, the negative pressure prevailing in the crystallization compartment 13a can be compensated for the storage compartment 13b, so that e.g. the circuit 80, 85 operates at the level of the ambient pressure.

Soll aus dem Speicherabteil 13b eisfreie wässrige Lösung 71 in das Kristallisationsabteil 13a eingespeist werden, so ist es auch in diesem Fall unter Umständen - d.h. wenn für die Trennung der festen und flüssigen Phase der Auftrieb des leichteren Eises allein nicht ausreicht - erforderlich, an das Ansaugende der Leitung 70 im Speicher 13b ein Sieb anzubringen, wie dies bereits beschrieben worden ist. If ice-free aqueous solution 71 is to be fed into the crystallization compartment 13a from the storage compartment 13b, it is also possible in this case - i.e. if the buoyancy of the lighter ice alone is not sufficient for the separation of the solid and liquid phases - it is necessary to attach a sieve to the suction end of the line 70 in the reservoir 13b, as has already been described.

15 15

B B

3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

659 314 PATENTANSPRÜCHE659 314 PATENT CLAIMS

1. Als direkt arbeitender Verdampfer ausgebildeter Energiespeicher in einer der Heizung und/oder Kühlung eines Gebäudes dienenden Absorptions-Wärmepumpenanlage, in welcher Wasser als Arbeitsmittel durch Verdampfer, Absorber, Austreiber, Kondensator und Entspannungsorgan zirkuliert, und ein pumpbares, hygroskopisches Absorptionsmittel mit Hilfe einer Pumpe den Absorber und den Austreiber durchsetzt, wobei einerseits die Absorptionswärme und andererseits die Kondensationswärme für Heizzwecke genutzt wird, bzw. im Fall der Kühlung als Abwärme abgeführt wird, und wobei ferner der Energiespeicher, in dem ein Teil des Arbeitsmittels in fester Form gespeichert ist, Teil eines zweiten Arbeitsmittelkreislaufes mit mindestens einer Niedrigtemperatur-Wärmequelle ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel im Energiespeicher (1) eine wässrige Lösung (71) dient, in der mindestens ein gelöster Stoff eine Gefrierpunktserniedrigung von mindestens 1 K bewirkt. 1. Energy storage trained as a direct working evaporator in an absorption heat pump system serving to heat and / or cool a building, in which water circulates as working fluid through evaporator, absorber, expeller, condenser and expansion device, and a pumpable, hygroscopic absorbent with the help of a pump penetrates the absorber and the expeller, whereby on the one hand the heat of absorption and on the other hand the heat of condensation is used for heating purposes or, in the case of cooling, is dissipated as waste heat, and furthermore the energy store, in which part of the working medium is stored in solid form, part of a second working medium circuit with at least one low-temperature heat source, characterized in that an aqueous solution (71) is used as the working medium in the energy store (1), in which at least one solute causes a freezing point reduction of at least 1 K.

2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung (71) die gleichen Stoffe enthält wie das Absorptionsmittel, wobei jedoch die Konzentrationen so gewählt sind, dass der Gefrierpunkt vorzugsweise zwischen -1°C und -2°C liegt. 2. Energy store according to claim 1, characterized in that the aqueous solution (71) contains the same substances as the absorbent, but the concentrations are chosen so that the freezing point is preferably between -1 ° C and -2 ° C.

3. Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine absperrbare Verbindungsleitung (27) vom Absorber (2) in seinen Flüssigkeitsraum (13) führt. 3. Energy store according to claim 2, characterized in that a lockable connecting line (27) from the absorber (2) leads into its liquid space (13).

4. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (14) vorgesehen sind, durch die ein Übertritt von wässriger Lösung aus seinem Verdampferbereich (12) in den Absorber (2) verhindert wird. 4. Energy store according to claim 1, characterized in that means (14) are provided, by which a transfer of aqueous solution from its evaporator area (12) into the absorber (2) is prevented.

5. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus seinem Bereich (13 ; 13b) für die wässrige Lösung in seinen Dampfbereich (12) eine mit einer Pumpe (72) versehene Leitung (70) führt. 5. Energy store according to claim 1, characterized in that from its area (13; 13b) for the aqueous solution leads into its steam area (12) a line (70) provided with a pump (72).

6. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sein mit wässriger Lösung (71) gefüllter Bereich in zwei Abteile (13a, 13b) unterteilt ist, wobei in einem Kristallisationsabteil (13a) die Verdampfung und Eiserzeugung stattfinden, während im anderen Abteil (13b) der gebildete Eisbrei (79) gespeichert wird. 6. Energy storage device according to one of claims 2 to 5, characterized in that its area filled with aqueous solution (71) is divided into two compartments (13a, 13b), the evaporation and ice production taking place in a crystallization compartment (13a) while in other compartment (13b) the ice mash (79) formed is stored.

7. Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherabteil (13b) um einen Höhenunterschied À H unterhalb des Eiserzeugungsabteils (13a) angeordnet ist. 7. Energy store according to claim 6, characterized in that the storage compartment (13b) is arranged by a height difference H below the ice-making compartment (13a).

8. Energiespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenunterschied À H etwa 10 m ist, so dass im Speicherabteil (13b) kein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck herrscht. 8. Energy store according to claim 7, characterized in that the height difference H is approximately 10 m, so that there is no negative pressure in relation to the ambient pressure in the storage compartment (13b).

9. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einspeisung flüssigen Arbeitsmittels in den Verdampferbereich (12) ein sich selbst entleerender Stutzen (15) vorgesehen ist. 9. Energy storage device according to claim 1, characterized in that a self-emptying nozzle (15) is provided for feeding liquid working fluid into the evaporator area (12).

10. Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Eiserzeugungsabteil (13a) Mittel (74) vorgesehen sind, durch die die wässrige Lösung bewegt wird. 10. Energy store according to claim 6, characterized in that means (74) are provided in the ice-making compartment (13a) through which the aqueous solution is moved.

11. Energiespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die die Strömung im Eiserzeugungsabteil (13a) so gestalten, dass bevorzugt die grösseren Eiskristalle dem Speicherabteil (13b) zugeführt werden. 11. Energy store according to claim 10, characterized in that means are provided which shape the flow in the ice-making compartment (13a) in such a way that the larger ice crystals are preferably fed to the storage compartment (13b).

12. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mittels welchen in den zweiten Arbeitsmittelkreislauf (80, 85) ein aus wässriger Lösung (71) und Eiskristallen (78) gebildeter Eisbrei (79) eingespeist wird. 12. Energy storage device according to claim 1, characterized in that means are provided by means of which an ice pulp (79) formed from aqueous solution (71) and ice crystals (78) is fed into the second working medium circuit (80, 85).